【導(dǎo)讀】現(xiàn)代開關(guān)模式電源使用 X 電容器和 Y 電容器與電感器的組合來過濾共模和差模 EMI。濾波器元件位于任何有源(或無源)功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的前面(圖 1),因此 EMI 濾波器的電抗對功率因數(shù) (PF) 造成的任何失真都會改變甚至完美的功率因數(shù)校正 (PFC) 電路。修正了電壓-電流關(guān)系。
現(xiàn)代開關(guān)模式電源使用 X 電容器和 Y 電容器與電感器的組合來過濾共模和差模 EMI。濾波器元件位于任何有源(或無源)功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的前面(圖 1),因此 EMI 濾波器的電抗對功率因數(shù) (PF) 造成的任何失真都會改變甚至完美的功率因數(shù)校正 (PFC) 電路。修正了電壓-電流關(guān)系。
典型 PFC 225W 電源輸入級示意圖。
圖 1:典型 PFC 225W 電源的輸入級原理圖,突出顯示 EMI 濾波器中約 680 nF 的 X 電容,跨 L 相和 N 相連接
當(dāng)輸出功率處于標(biāo)稱功率時,輸入高于 75W,通常需要有源 PFC 才能實現(xiàn)大于 0.9 的 PF。直到近,這種滿載要求在設(shè)計輸入濾波器時還是非常有幫助的。隨著負載的增加,電源的電阻輸入阻抗會降低并終淹沒 X 電容的無功阻抗,從而主導(dǎo)整個功率轉(zhuǎn)換引擎的 PF。在輕負載和高線路條件下,PSU 輸入阻抗,PF 將因 X 電容而降低(圖 2)。
通過向整個負載范圍(230VAC 輸入)的理想系統(tǒng)(單位功率因數(shù))添加增加的 X 電容(共模)來實現(xiàn)對 PF 的平均效果。
圖 2:在整個負載范圍(230VAC 輸入)內(nèi)向理想系統(tǒng)(單位功率因數(shù))添加增加的 X 電容(共模)對 PF 的平均影響
然而,一些現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn),例如80 PLUS Titanium PC標(biāo)準(zhǔn)(20%負載時PF > 0.9),開始要求輕負載時PF較高。如果配電網(wǎng)絡(luò)并行暴露于大量機器,這是有意義的。在輕負載下并行運行的多個設(shè)備、顯示器或計算機可以(并且將會)通過在低 PF 下呈現(xiàn)大量需求來壓倒本地網(wǎng)絡(luò)的 VA 功率能力,從而產(chǎn)生不可持續(xù)的視在功率要求。由于眾多電機的共模效應(yīng),電器通常使用較大的 X 電容值,因此這是設(shè)計中 X 電容可能很大的另一個原因。,與濾波電感相比,X 電容器相對便宜,這使得應(yīng)用更多或更大的 X 電容器而不是增加 EMI 濾波電感器的尺寸更具吸引力。
“強力”方法可能是在系統(tǒng)的輸入中添加電感以減少容抗,在某些情況下,這可能是實用的。然而,更優(yōu)雅的解決方案是讓 PFC 級監(jiān)控輸入電壓和輸入電流相位關(guān)系,然后在輕負載時對 PF 函數(shù)應(yīng)用校正因子。這具有在其校正算法中引入電流相位滯后的效果,以將整個系統(tǒng)功率因數(shù)恢復(fù)為單位。圖 3 顯示了基于 Power Integrations 的 HiperPFS-5 IC 系列的先進有源 PFC 設(shè)計,這是一款具有集成 750V PowiGaN 開關(guān)的先進 PFC 控制器 IC,針對整個負載范圍內(nèi)的高 PF 和效率進行了優(yōu)化。
圖 3:PFC 250W 電源的輸入級。PFC 使用變頻準(zhǔn)諧振 DCM 控制技術(shù)以及 GaN 功率開關(guān),在整個負載范圍內(nèi)提供非常高的效率,同時保持較低的升壓電感。
功率因數(shù)增強 (PFE) 通過扭曲校正電流波形來補償輸入電容的相位失真,從而提高功率因數(shù)。它還減少了輸入電流波形失真的影響(電流正弦波的失真,特別是在過零處,將增加總諧波失真,將在另一篇文章中討論)。
通過利用控制引擎,可以顯著改善輕載PF。圖 4 顯示了實際電源的 PF,負載了人為的高輸入電容 (650 nF)。PFE 功能可將功率因數(shù)提高高達 10%,負載約為 75W。
圖 4:隨著負載增加(230 VAC 和 265 VAC),PFC 塊上具有主動 PFE 和禁用 PFE 功能的 225 W 電源的 PF
通過向 PF 控制引擎添加失真信息,可以顯著減少輸入電容造成的 PF 失真。該電路會自動補償輸入阻抗的變化,從而確保的 PF,盡管濾波器組件存在生產(chǎn)公差和一系列工作條件。系統(tǒng)支持嚴重失真的輸入電壓波形(例如發(fā)電機或逆變器輸入)的能力在另一篇文章中進行了描述。
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